消除粉末高温合金中原始颗粒边界机制北大核心

采用SEM、TEM研究了高温合金粉末颗粒内部与合金中碳化物的类型和组成,采用热力学软件计算了不同Hf含量FGH4096的碳化物组成,结果表明,粉末高温合金中原始颗粒边界上的析出物为以TiC为主的MC型碳化物,MC型碳化物(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)在镍基高温合金中按溶解度从大到小为TiC>NbC>TaC>ZrC>HfC。TiC在FGH4096中的溶解度较HfC的大,雾化粉末快速凝固过程中,加入Hf的FGH4096合金碳化物析出量大于不加Hf的FGH4096合金碳化物析出量,HfC均匀形核于整个粉末颗粒中。在热等静压过程中,Hf与C的结合力强而形成HfC,最终在FGH4096合金中形成(Hf,Ti,Nb)C,致使C元素无法扩散至粉末颗粒表面形成TiC,避免了原始粉末颗粒边界的形成。加入Zr消除FGH4096中原始颗粒边界的机制与添加Hf的FGH4096相同。     

粉末高温合金中原始粉末颗粒边界研究进展

原始粉末颗粒边界(prior particle boundary,PPB)是粉末高温合金(powder metallurgy superalloy,P/M superalloy)中常见的缺陷之一,它是在制粉期间以及热等静压或热挤压前期的加热过程中,在原始粉末表面处析出的一层细小且连续的第二相网膜;这层析出物可能会阻碍粉末颗粒间的扩散与连接,成为了合金中的薄弱界面,严重破坏合金组织,危害其拉伸、冲击等各项力学性能。本文着重介绍了目前针对粉末高温合金中原始粉末颗粒边界的研究进展,重点概述了影响原始粉末颗粒边界的形成因素及消除措施。     

粉末高温合金FGH96中的原始粉末颗粒边界及其对合金拉伸断裂行为的影响

采用等离子电极旋转雾化法和热等静压法(hot isostatic press,HIP)分别制备FGH96粉末与合金,对原始及高温(1 150℃)预热处理后的FGH96粉末表面析出相以及HIPed FGH96合金的原始粉末颗粒边界(prior particleboundary,简称PPB)进行分析,进而研究PPB对合金室温和750℃拉伸断裂行为的影响。研究发现:原始粉末表面无明显析出相,1 150℃预热处理后粉末表面有块状MC和细小氧化物分布;热等静压法制备的FGH96合金及其热处理后,PPB析出相主要由颗粒和块状的金属碳化物MC及富Zr的氧化物颗粒组成;该合金经过固溶和时效处理后,颗粒状MC部分溶解而块状MC长大,PPB碳化物的尺寸分布由单峰分布转变为双峰分布;常温拉伸时微孔在PPB上形成并扩展,合金沿PPB断裂;750℃拉伸时,合金强度与塑性较常温下明显降低,部分M23C6在晶界析出,块状和颗粒状碳化物部分溶解,为M23C6提供碳源,合金断口呈现沿晶和沿PPB混合断裂的形貌。     

微量元素Hf消除FGH96合金中原始粉末颗粒边界组织机制的探讨

粉末冶金高温合金中原始粉末颗粒边界组织(PPBS)由碳化物和少量碳氧化物组成。采用SEM、TEM以及AES等研究了粉末颗粒内、表面上以及合金中PPB上碳化物的结构和组成,依据热力学和扩散理论分析了Hf消除原始粉末颗粒边界组织(PPBS)的微观机制。结果表明:快速凝固粉末颗粒表面形成含有Ti、Nb、Cr、Mo、W的MC型亚稳定碳化物MC′,在HIP过程中粉末颗粒表面上的MC′相转变成稳定的MC相,以及粉末颗粒内的Ti、C元素向烧结颈处扩散,HIP后在粉末颗粒边界上形成富Ti和Nb的MC型碳化物(Ti,Nb)C。加入微量Hf后,在粉末颗粒内形成了更多更稳定的含Hf的MC型碳化物(Ti,Nb,Hf)C,C、Ti被"绑定"在碳化物(Ti,Nb,Hf)C中,抑制了C、Ti向烧结颈处扩散,从而抑制了MC型碳化物在粉末颗粒边界上的析出。     

一种消除粉末高温合金中PPB的方法

采用等离子旋转电极工艺(PREP)制备的镍基高温合金粉末,经过1170℃热等静压(HIP)固结和热处理后,组织中存在原始颗粒边界(PPB).PPB上析出物主要由γ'相和少量NbC、TiC组成.采用高温固溶处理工艺,结果表明,经过1160℃,4h,空冷固溶处理,可以消除PPB,炉冷效果比空冷差.     

热等静压制备粉末高温合金原始颗粒边界研究现状

粉末高温合金作为先进高温材料被广泛应用于航空航天领域。热等静压（hot isostatic pressing,HIP）是粉末高温合金构件的制备方法之一,但是原始颗粒边界（prior particle boundaries,PPBs）的存在会极大的影响构件的性能。本文综述了热等静压制备粉末高温合金原始颗粒边界的研究现状,概述了原始颗粒边界的形成机理及其影响,总结了粉末高温合金中原始颗粒边界的消除方法,并对这些方法应用的可行性及有效性进行了分析和展望。原始颗粒边界的消除方法主要包括向粉末添加Hf、Nb等强碳化物形成元素,对粉末进行预热处理,真空动态脱气处理或等离子体滴凝处理;优化粉末制备工艺,选用纯度更高、尺寸分布更均匀的粉末;选用合适的热等静压工艺参数和工艺方式;对制件采取热挤压、退火、固溶处理和热等静压后处理等。     

FGH95粉末高温合金原始颗粒边界及其对性能的影响

本文针对FGH95合金中原始颗粒边界的组成及其对合金冲击韧性、拉伸性能和持久性能的影响进行了研究。研究结果表明:其原始颗粒边界的组成与粉末的氧含量有很密切的关系。当氧的含量低于40×10-6时,原始颗粒边界主要由大尺寸γ′组成,这种原始颗粒边界不会对合金的力学性能产生影响;当氧的含量大于70×10-6时,原始颗粒边界主要由MC型碳化物组成,这种原始颗粒边界将对合金的力学性能产生不利影响。     

热变形对FGH96高温合金原始颗粒边界的影响

通过Gleeble-1500热模拟试验机对热等静压成形FGH96高温合金进行热压缩试验,其中温度为1075℃,变形速率为0.001 s-1,变形量为70%。利用场发射扫描电镜、透射电镜和电子能谱研究了合金原始颗粒边界（prior particle boundary,PPB）的组成,讨论了原始颗粒边界在FGH96高温合金再结晶过程中的作用,并分析了合金热变形对原始颗粒边界的影响。结果表明:热等静压成形FGH96高温合金中的原始颗粒边界主要由Ti的碳化物和γˊ相共同组成;原始颗粒边界对合金热变形再结晶形核起促进作用,对晶粒长大起阻碍作用;合金热变形可以改善原始颗粒边界在组织中的分布,从而使晶粒长大过程顺利进行。     

粉末冶金高温合金中的原始颗粒边界(PPB)问题

概述了热等静压态粉末冶金高温合金中原始颗粒边界(PPB)的形成机理及其对合金组织与性能的影响,以及影响PPB形成的因素和消除PPB的措施。指出PPB的存在不利于合金组织的控制,而且使合金的塑性降低,性能不稳定。通过调整合金成分、选择合适的粉末制备和处理工艺以及改进成形工艺等措施可以消除PPB。高温固溶处理可以溶解PPB析出物,但冷却速度不合适时PPB会再次析出。     

高温氧化对FGH96高温合金粉末表面状态的影响

通过模拟FGH96高温合金粉末在热等静压固结阶段的高温加热过程,利用多种表面分析方法,研究高温氧化对粉末表面状态的影响。结果表明,近热等静压加热温度条件下的高温氧化过程显著改变了FGH96高温合金粉末的表面形貌、表面元素分布和析出相组成。随加热温度的升高和保温时间的延长,胞状晶为主、树枝晶为辅的表面凝固组织被氧化物/碳化物层所覆盖,高温氧化过程促进粉末基体内部的Ni、Ti、Zr、Nb、Al和C原子逐渐扩散到粉末表面,粉末表面预先存在的氧化物（ZrO2）为MC型碳化物（(Ti, Nb)C）的形核提供了结构条件。控制粉末表面氧化物的形成可以有效限制合金中形成原始颗粒边界缺陷。     

W和Ta对新型镍基粉末高温合金显微组织的影响

摘要：采用相同的粉末冶金工艺与热处理方法设计3种W和Ta含量不同的合金,利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、场发射扫描电镜（FE SEM）、X射线衍射仪（XRD）等多种研究手段,研究W和Ta元素对新型镍基粉末高温合金显微组织的影响。结果表明：改变W和Ta含量对合金晶粒组织和MC型碳化物的析出没有明显影响;随着合金中Ta含量的减少和W含量的增加,γ/γ′相错配度逐渐减小;随着合金中Ta含量和γ/γ′相错配度的增加,γ′相含量和尺寸均增加,二次γ′相粗化长大和达到分裂的时间缩短,尺寸分布越来越不均匀。     

含Hf和Ta新型镍基高温合金粉末中碳化物相

对含Hf和Ta新型镍基高温合金FGH98Ⅰ等离子旋转电极(PREP)雾化原始和不同温度下预热处理粉末中的碳化物相进行了研究.结果表明:原始粉末中MC'型碳化物可分为两类,一类为富Ti、Ta和Nb,另一类为含Ta、Hf和Zr.两类碳化物均含有一定量非碳化物形成元素Co和Ni及中等强碳化物形成元素Cr和Mo,并以块状、粒状分布于枝晶或胞晶间;随着预热处理温度升高,粉末中富Ti、Ta和Nb的MC'型碳化物转变为MC型碳化物,且其所含Ti、Ta和Nb的总量增大;含Ta、Hf和Zr的MC'型碳化物发生分解和转变,析出稳定的M₂₃C₆、M₆C和MC型碳化物,M₂₃C₆碳化物的析出和溶解温度为950℃和1150℃,M₂₃C₆和M₆C碳化物共存温度为1000～1100℃.另外,粉末中微量元素Hf和Ta主要以碳化物和γ'相参与碳化物反应.     

镍基粉末高温合金FGH95的组织和性能

论文讨论了FGH95氩气雾化粉末颗粒的凝固组织、合金相组成、表面化学成分;粉末经过热等静压后的显微组织与相组成、原颗粒边界碳化物的本质和形成机制;热等静压坯再经热挤压后合金组织的改善,以及用改进的最终热处理使合金获得良好的显微组织,以提高合金的高温的拉伸、持久断裂、低周疲劳性能。     

铪在粉末冶金高温合金中的作用研究概况

结合铪在铸造高温合金以及变形高温合金中的作用,简要说明了在粉末冶金高温合金中添加铪的重要性,并重点概述了铪在粉末冶金高温合金中的作用及应用,最后探讨了加铪以提高粉末冶金高温合金性能的研究方向.     

镍基高温合金粉末中夹杂的研究

研究了等离子旋转电极雾化FGH95镍基高温合金粉末中夹杂的性质（成分分类和形貌）及粉末处理过程去除非金属夹杂效果的影响,介绍了有效去除非金属夹杂的方法。     

等离子旋转电极法所制取的镍基高温合金粉末中异常颗粒的研究

归纳了用等离子旋转电极法 (PREP)制造的镍基高温合金粉末成品粉中常见的异常粉末颗粒类型 ;分析了异常颗粒产生的原因并提出了消除和控制的方法     

PREP制取高温合金粉末的特点

介绍了等离子旋转电极工艺（PREP）制粉设备、主要工艺参数和粉末形成机理。研究了制粉工艺参数对粉末粒度、粒度分布以及粒度分布类型的,并对粉末粒度进行了理论计算。结果表明,随着棒料转速的增大,粉末粒度减小,粒度分布类型也发生了改变;粉末粒度的理论计算值与实验结果相吻合。     

粉末高温合金的研制与展望

回顾了８０年代初以来我国粉末高温合金的研制过程和取得的阶段性成就。着重介绍了ＦＧＨ９５合金生产中所采用的等离子旋转电极制粉及筛分、静电处理工艺,热等静压＋包套锻造成形工艺,以及生产过程中粉末及制件的质量控制。此外还介绍了ＦＧＨ９５合金制件的组织性能和热处理工艺。通过近２０年的探索,采用上述工艺,并以自制的整套粉末高温合金生产设备,成功地试制和生产了以涡轮盘件、涡轮档板为主的粉末合金制件。文章最后指出我国粉末高温合金下一步的研究方向。     

粉末高温合金盘件

１　概述随着航空工业的发展,现代燃气涡轮发动机正向推力大、油耗低、推重比高和使用寿命长的方向发展,这一发展要通过压气机增压比的提高和涡轮进口温度的提高,以及在设计上采用一定的措施来实现。涡轮盘是发动机重要部件之一,飞行时承受起动、停车循环的机械应力和温差引起的热应力的迭加作用,工作条件极为苛刻,因此对制造涡轮盘件的高温合金提出了更高的要求,要求具有良好的力学性能、理化性能及热工艺性能,特别是在使用温度范围内要有尽可能高的低周疲劳和热疲劳性能,这是确定涡轮工作寿命的关键因素。为了解决高合金化常规铸…     

含Hf镍基粉末高温合金快速凝固粉末颗粒特性

采用扫描电镜、透射电镜及其附带的能谱仪和碳复型萃取技术等多种手段研究了不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒显微组织、枝晶间合金元素偏析和析出相.发现Hf含量可以改变粉末颗粒内部树枝晶、胞状长大晶和微晶凝固组织的比例,粉末的快速凝固组织形态主要取决于冷却速率和固液界面前沿温度梯度与长大速度的比值.不同Hf含量的FGH96合金粉末颗粒中,Nb、Ti、Zr和Al均富集于枝晶间,Co、Cr、W和Ni均富集于枝晶轴.当Hf质量分数为0.3%时,Ti、Nb、Zr、Hf等强碳化物形成元素的枝晶偏析程度最小.在快速凝固粉末颗粒中,Hf对氧含量比碳含量更敏感,优先形成更稳定的氧化物HfO₂.